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超稳腔-超稳激光-稳频激光器-光学频率梳-振动、噪音和磁场的影响

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背景介绍

超稳腔-超稳激光-稳频激光器-光学频率梳-使用中振动和噪音的影响 直接关系到实验的结果。超稳腔 在科学实验与实际应用工程中都有着重要的作用,比如可以应用于稳频激光器、标准光学频率的测量、引力波检测和基础物理常数测试。

随着物理精密测量及传感技术的研究和发展,人们对于激光器输出频率的稳定性及激光器系统作为传感器的抗干扰性都有了更高的要求。尤其是在原子分子光谱、原子频标等精密测量领域,压窄激光器的线宽及提高系统的稳定性是提高测量精度的关键。通常,根据实验需求构建闭环反馈环路,以原子跃迁线或光学谐振腔作为频率参考,通过密封、恒温等措施减小室温起伏、随机的无规则扰动等环境因素对激光器输出频率的干扰,可极大提高激光器输出频率的稳定性。但在实际应用的过程中,环境中的扰动是随机出现的,无法针对其特征频率进行抑制,因此优化激光器系统本身的频率响应特性,增强系统在整个带宽范围内的频率稳定性就变得十分重要。另外,除了从全局优化激光器的动态特性外,还需要对处在实际环境中的激光器系统进行针对性地校正和优化,因此,有必要对激光器的声音响应特性进行研究。

激光利用置放于光学谐振腔内的激活介质产生激光振荡,如果腔的机械长度]或者腔镜片之间的介质的折射率M发生变化就会引起频率的变化,所以造成谐振腔几何长度和折射率改变的因素很多,主要有以下几点。

1、温度影响

温度变化的影响与任何物体的线性尺寸和温度都有关系。激光管所用的玻璃、金属支架的尺寸都随温度的变化而变化(一般满足热涨冷缩的原理),故引起频率的漂移。

在激光器的工作过程中,散热的原因导致温度漂移使得激光器阈值电流漂移增加,输出功率下降,发射波长偏移,引起模式变化,各种缺陷特性凸显。主要表现在温度偏移对激光波长漂移的影响,温度偏移对出光效率的影响,温度偏移对腔体型变的影响,温度漂移对电流的影响

2、机械影响

外界的机械振动,如建筑物的震动、车辆的通行和声响等都会引起腔的支架振动,

使谐振腔的光学长度发生变化,从而导致振荡频率的漂移。为了克服机械振动的影响,稳频激光器必须准备良好的防震措施。

3、磁场的影响

激光器谐振腔间隔器多采用殷钢材料,但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化,所以必须考虑地磁场效应和激光器周围电子仪器的杂散磁场对高稳定激光器或由磁场效应稳频的激光器的影响。除此之外,大气变化等造成空气折射率变化激光器内的气压、放电电流的变化,还有自发辐射造成的无规则噪声等内部因素也会影响频率的稳定性。

通过以上分析可知,最直接的稳频办法是恒温、防震、密封隔声和消磁等,但是这些措施只可使频率稳定度达10-7量级,要提高到10-8量级以上[4],必须使用伺服系统对激光器进行自动控制稳频, 即主动稳频的方法。

 

超稳腔-超稳激光-稳频激光器-光学频率梳-使用中振动和噪音的影响

从图1频率变化与腔长变化的关系可知,超稳腔频率稳定性与腔长稳定性有关,而影响腔长稳定性的主要因素有振动、噪音以及温度。其中振动与噪音主要是使超稳腔发生形变导致产生相对位移,或者是影响激光和参考腔轴线的夹角,从而间接导致参考腔长度发生变化,温度主要是由于热胀冷缩导致腔长发生变化。

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超稳腔-超稳激光-稳频激光器-光学频率梳-使用中振动和噪音的影响 解决方法

解决振动噪音对腔长稳定性影响主要从两个方面入手,一方面是合理设计参考腔的形状以及支撑结构,使得参考腔本身对振动不敏感;另外一方面可以选择使用隔振台与隔音箱,隔振性能优秀的隔振台与隔音箱可以大幅度减少振动对参考腔长度的影响。

 

具体方案

1、隔振台 :

瑞士Table Stable公司与日本HERZ的主动隔振台,其减振隔振性能处于行业领先地位,主动隔振台主要有TS系列和AVI系列,广州市固润光电科技有限公司作为在中国的代理商,在减振领域拥有着丰富的经验,在隔振领域为广大客户提供主动隔振产品与专业的技术支持。图2为TS系列与AVI系列主动隔振台示意图。图3为客户的实际应用。

超稳腔-超稳激光-稳频激光器-光学频率梳-使用中振动和噪音的影响 主动减振台

超稳腔-超稳激光-稳频激光器-光学频率梳-使用中振动和噪音的影响-光学频率梳
2、隔音箱(温度稳定系统,磁场被动屏蔽系统):

在激光器的工作过程中,散热的原因导致温度漂移使得激光器阈值电流漂移增加,输出功率下降,发射波长偏移,引起模式变化,各种缺陷特性凸显。主要表现在温度偏移对激光波长漂移的影响,温度偏移对出光效率的影响,温度偏移对腔体型变的影响,温度漂移对电流的影响

广州市固润光电科技有限公司代理美国Herzan公司的隔音箱同样有着优秀的隔音性能,主要有EM、NanoVault、Crypt、AEK-2002、Silencer、AEK-2011等型号,此外还支持定制,可以满足客户的各种要求,包括定制尺寸、定温控温、开孔、EMI屏蔽等功能,以优异的性能消除环境中的各种影响。Herzan隔音箱提供

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